Phương pháp điều khiển nhiệt độđộ ẩm của buồng thử nghiệm đánh giá khả năng hoạt động ổn định của các module và thiết bị công suất nhỏ

LỜI NÓI ĐẦU
Nhiệt độ, độ ẩm là các đại lượng vật lý có ảnh hưởng lớn tới chức năng, tính
hoạt động ổn định hầu hết của các thiết bị điện tử. Khi nhiệt độ, độ ẩm tăng cao có
thể dẫn đến các sai lệch về giá trị các linh kiện điện tử và gây nên các sai số tín
hiệu, nghiêm trọng nhất là giảm tuổi thọ của thiết bị, từ đó gây ra những tổn thất về
cả công sức và tiền bạc. Vì vậy trong nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các thiết bị điện
tử, yêu cầu về đảm bảo hoạt động của các linh kiện trong điều kiện nhiệt độ, độ ẩm
cao hoặc thay đổi bất thường là một trong những yêu cầu kỹ thuật quan trọng của
thiết bị. Để thực hiện yêu cầu này, đề tài đặt ra vấn đề thiết kế một buồng thử
nghiệm có thể thay đổi giá trị nhiệt độ, độ ẩm phục vụ cho quá trình thử nghiệm các
module và thiết bị điện tử công suất nhỏ.
Trong nội dung đề tài này, em đã tìm hiểu về “Phương pháp điều khiển nhiệt
độ-độ ẩm của buồng thử nghiệm đánh giá khả năng hoạt động ổn định của các
module và thiết bị công suất nhỏ” với dải làm việc từ 25oC-70oC.
Nội dung đề tài bao gồm:
PHẦN I:

TỔNG QUAN

PHẦN II:

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

PHẦN III:

CẤU TẠO VÀ CÁC BỘ PHẬN BUỒNG THỬ NGHIỆM.

PHẦN IV:

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

PHẦN V:

KẾT LUẬN

Tuy nhiên do thời gian có hạn và hạn chế về kiến thức nên bản đồ án không
tránh khỏi những sai sót. Rất mong các thầy cô góp ý để em có thể hoàn thiện hơn.


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đề tài này em đã nhận được sự giúp đỡ của nhiều người.
Trước hết, em xin được bày tỏ lời cảm ơn đến PSG-TS. Phạm Đình Khang đã
định hướng đề tài, bình duyệt kết quả nghiên cứu, hướng dẫn và tạo điều kiện cho
em hoàn thành đồ án.
Xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến Trung úy Trịnh Văn Ninh đã tận tình chỉ
bảo, hỗ trợ, giúp đỡ và truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm suốt tiến
trình thực hiện đề tài.
Xin trân trọng cảm ơn Viện Hóa Học-Môi Trường Quân Sự, đặc biệt là Thiếu
tá Đinh Tiến Hùng và các anh, chị Phòng Phóng Xạ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi
nhất và cơ sở vật chất để em thực tập và hoàn hoàn thành đồ án tại Viện.
Xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Viện Kỹ
Thuật Hạt Nhân Và Vật Lý Môi Trường đã dạy dỗ và dìu dắt em trong suốt 5 năm
học vừa qua, để em có được kiến thức chuyên môn cần thiết để thực hiện tốt đồ án,
cũng như chuẩn bị kiến thức cho công việc trong tương lai.
Cuối cùng, em xin chân thành gửi những lời biết ơn sâu sắc đến gia đình và
bạn bè những người luôn sát cánh cùng chúng em, nuôi dưỡng chăm sóc, tạo điều
kiện tốt nhất cho chúng em học tập để có kết quả như ngày hôm nay.

GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

2


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................ 1
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... 2
MỤC LỤC .............................................................................................................. 3
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG VÀ BIỂU ĐỒ ........................................................................ 7
DANH MỤC KÍ TỰ ĐẶC BIỆT VÀ VIẾT TẮT .................................................... 8
1.1.

Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm đến hệ điện tử ........................................... 9

1.1.1.

Tác động của nhiệt độ ............................................................................. 9

1.1.2.

Tác động do độ ẩm ................................................................................ 10

1.2.

Giới thiệu về tủ thử nghiệm nhiệt độ-độ ẩm trên thị trường ...................... 11

1.2.1.

Giới thiệu chung.................................................................................... 11

1.2.2.

Ứng dụng .............................................................................................. 11

1.3.

Thiết kế ý tưởng ....................................................................................... 12

PHẦN II: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ......................................................... 13
2.1.

Sơ đồ khối ................................................................................................... 13

2.2.

Các thành phần mạch điều khiển.................................................................. 15

2.2.1.

Khối cảm biến ....................................................................................... 15

2.2.1.1.

Khái niệm cảm biến ........................................................................... 15

2.2.1.2.

Cảm biến SHT1x ............................................................................... 16

2.2.2.

Tổng quan về các chức năng của Atmega8 trong mạch điều khiển ........ 20

2.2.2.2.

Điều khiển vào ra (I/O) ................................................................... 22

2.2.2.3.

Chuyển đổi tương tự sang số (ADC) ............................................... 22

2.2.3.

Khối hiển thị ......................................................................................... 26

2.2.4.

Khối nguồn ........................................................................................... 29

2.2.4.1.

Khối nguồn cung cấp điện áp cho bộ gia nhiệt-gia ẩm .................... 29

2.2.4.2.

Nguồn nuôi hệ điều khiển [5] ......................................................... 29

2.2.5.

Khối đóng ngắt...................................................................................... 32

2.2.5.1.

Opto ............................................................................................... 32

2.2.5.2.

Rơ-le .............................................................................................. 33

2.2.5.3.

Đóng ngắt dùng opto-rơ le .............................................................. 34

GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

3


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

2.3.

Đồ án tốt nghiệp

Sơ đồ thuật toán điều khiển ................................................................... 36

Phần III: THIẾT KẾ BUỒNG THỬ NGHIỆM ...................................................... 38
3.1.

Các bộ phận của buồng thử nghiệm: ......................................................... 38

3.1.1.

Bộ phận gia nhiệt .................................................................................. 38

3.1.1.1.

Bộ làm nóng ................................................................................... 38

3.1.1.2.

Bộ làm lạnh .................................................................................... 38

3.1.2.

Bộ phận gia ẩm ..................................................................................... 40

3.1.2.1.

Bộ hạ ẩm ........................................................................................ 40

3.1.2.2.

Bộ tạo sương .................................................................................. 41

3.1.3.
3.2.

Lớp cách nhiệt-cách ẩm bằng bông thủy tinh ........................................ 43
Mô hình thiết kế buồng thử nghiệm .......................................................... 44

PHẦN IV: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................................... 46
4.1.

Kết quả đo nhiệt độ-độ ẩm từ điều kiện ban đầu ở nhiệt độ và độ ẩm phòng 46

4.2.

Một vài kết quả khi đo trong điều kiện đặc biệt............................................ 50

4.3.

Kết quả đo nhiệt độ từ cảm biến và nhiệt kế................................................. 50

4.4.

Đánh giá kết quả thu được ........................................................................... 51

KẾT LUẬN ........................................................................................................... 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 55
[1] ATMEGA8-16PU Datasheet-ATMEL Corporation. ..................................... 55

PHỤ LỤC 1. LINH KIỆN VÀ THÔNG SỐ CÁC LINH KIỆN ĐÃ SỬ DỤNG .... 56
PHỤ LỤC 2: THÔNG SỐ MỘT SỐ BỘ PHẬN BUỒNG THỬ NGHIỆM............ 59
PHỤ LỤC 3: CODE THƯ VIỆN SHT10............................................................... 62
PHỤ LỤC 4: CODE CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ........................................ 75
PHỤ LỤC 5: CÁC THÔNG SỐ KHÁC ................................................................ 84
PHỤ LỤC 6: HÌNH ẢNH THIẾT BỊ ĐÃ CHẾ TẠO ............................................ 88

GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

4


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Dây diện bị cháy do nhiệt độ cao ........................................................... 9
Hình 1. 2: Cháy chập mạch điện tử ....................................................................... 10
Hình 1. 3: Vi mạch bị hoen rỉ ................................................................................ 10
Hình 1. 4: Tủ thử nghiệm nhiệt độ-độ ẩm HD-100T .............................................. 11
Hình 2. 1 Sơ đồ khối của hệ thống ........................................................................ 13
Hình 2. 2: Sơ đồ nguyên lý .................................................................................... 14
Hình 2. 3: Mô hình cảm biến................................................................................. 15
Hình 2. 4: Cảm biến SHT11x ................................................................................ 16
Hình 2. 5: Sơ đồ kết SHT1x với vi điều khiển ........................................................ 17
Hình 2. 6: Quá trình truyền dữ liệu từ vi điều khiển về SHT11 .............................. 19
Hình 2. 7: Sơ đồ mô tả cách truyền dữ liệu từ SHT đến vi điều khiển .................... 20
Hình 2. 8: Sơ đồ chân Atmega8-16PU .................................................................. 21

Hình 2. 9: Thiết kế nguồn cho ADC ...................................................................... 23
Hình 2. 10: LCD 16x2........................................................................................... 27
Hình 2. 11: Sơ đồ kết nối chân RS......................................................................... 27
Hình 2. 12: Sơ đồ kết nối chân LCD với Amega8 .................................................. 28
Hình 2. 13: Nguồn tổ ong 12V-15A ....................................................................... 29
Hình 2. 14: Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn 5V ............................................................ 30
Hình 2. 15: Các chân của LM7805 ....................................................................... 31
Hình 2. 16: Cấu tạo opto PC817 ........................................................................... 32
Hình 2. 17: PC817 ................................................................................................ 33
Hình 2. 18: Cấu tạo rơ-le 5 chân .......................................................................... 34
Hình 2. 19: Sơ nguyên lý đóng ngắt dùng opto-relay ............................................ 35
Hình 3. 1: Bộ làm nóng ........................................................................................ 38
Hình 3. 2: Sò nóng lạnh TEC1_12715.................................................................. 39
Hình 3. 3: Bộ làm lạnh ......................................................................................... 40
Hình 3. 4: Bộ hạ độ ẩm ........................................................................................ 40
Hình 3. 5: Cấu tạo đầu phun sương ..................................................................... 41
Hình 3. 6: Mô phỏng hoạt động tấm áp điện ........................................................ 41
Hình 3. 7: Đầu tạo sương siêu âm ........................................................................ 42
Hình 3. 8: Bộ nguồn tạo sương siêu âm ............................................................... 42
Hình 3. 9: Điều chỉnh độ phun sương bằng biến trở............................................. 43
Hình 3. 10: Bông thủy tinh ................................................................................... 44
Hình 3. 11: Hình ảnh buồng thử nghiệm .............................................................. 45
GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

5


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Phụ lục 6. 1: Mạch điều khiển đã thiết kế............................................................. 88
Phụ lục 6. 2: Cấu tạo buồng điều khiển ............................................................... 88

GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

6


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC BẢNG VÀ BIỂU ĐỒ
Bảng 2. 2: Bảng lựa chọn điện áp tham chiếu ....................................................... 24
Bảng 2. 1: Bảng 5 bits xác định yêu cầu của VĐK với SHT1x ............................... 18
Bảng 4. 1: Bảng so sánh nhiệt đặt và nhiệt độ đo được từ SHT10 ........................ 46
Bảng 4. 2: Nhiệt độ và độ ẩm đo được theo thời gian ........................................... 48
Bảng 4. 3: Kết quả đo độ ẩm cao nhất tại trong giải nhiệt độ 30-750C ................. 49
Bảng 4. 4: So sánh kết quả đo được giữa nhiệt kế và SHT10 ................................ 50
Biểu đồ 4. 1: So sánh thể hiện sự sai lệch giữa nhiệt độ đo từ SHT10 và nhiệt độ đặt
.............................................................................................................................. 47
Biểu đồ 4. 2: So sánh nhiệt độ đo giữa nhiệt kế và SHT10 theo thời gian .............. 51
Phụ lục 1. 1: Bảng thông số của SHT1X ............................................................... 57
Phụ lục 1. 2: Bảng thông số kĩ thuật LCD16x2 ..................................................... 57
Phụ lục 1. 3: Bảng thông số các linh kiện mạch điều khiển ................................... 58
Phụ lục 2. 1: Công suất các loại sò nóng lạnh ...................................................... 59
Phụ lục 5. 1: Bảng giá trị d1 và d2 ......................................................................... 84

Phụ lục 5. 2: Bảng giá trị d2.................................................................................. 84
Phụ lục 5. 3: Bảng giá trị t1 và t2 ........................................................................... 85
Phụ lục 5. 4: Mạch nguồn xung clock bên ngoài ................................................... 85
Phụ lục 5. 5: Lựa chọn xung nhịp cho ADC .......................................................... 86
Phụ lục 5. 6: Bảng mã lựa chon kênh ADC của Atmega8 ...................................... 87

GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

7


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC KÍ TỰ ĐẶC BIỆT VÀ VIẾT TẮT
Kí tự viết tắt

Tên Tiếng Anh

Thuật ngữ Tiếng Việt

RISC

Reduced Instruction Set

Cấu trúc tập lệnh đơn giản

Computer

AVR

Họ vi điều khiển do hãng Atmel
sản xuất

IR

Instruction Register

Thanh ghi cấu trúc của LCD

DR

Data Register

Thanh ghi dữ liệu của LCD

λ (W/m.0K)

Lamda

Hệ số dẫn nhiệt bông thủy tinh

δ (cm)

Delta

Bề dày bông thủy tinh

CPU

Central Processing Unit

Bộ xử lí trung tâm

R/W

Read/Write

Đọc/ghi

NC

Nomal Close

Chân thường đóng của rơ-le

NO

Nomal Open

Chân thường mở của rơ-le

COM/POLE

Common/Pole

Chân chung/tiếp điểm của rơ-le

COIL

Cuộn dây rơ-le

S_T

Set Temperature

Đặt nhiệt độ

S_H

Set Humidity

Đặt độ ẩm

ON/OFF

GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

Đóng/mở

8


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

PHẦN I: TỔNG QUAN

1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm đến hệ điện tử
1.1.1. Tác động của nhiệt độ
Nhiệt độ môi trường là tác nhân ảnh hưởng không nhỏ đến khả năng vận hành
của thiết bị. Khi làm việc trong môi trường nhiệt độ cao, các thông số linh kiện điện
tử như tụ điện, điện trở, transistor, chip… đều có sự thay đổi.
Ví dụ:
 Đối với điện trở: Nhiệt độ thay đổi giá trị điện trở cũng thay đổi theo.
 Transistor: Nhiệt độ càng cao, thời gian để kích hoạt điện áp ngưỡng càng
dài, khiến thời gian mở cổng không như thiết kế ban đầu, nghiêm trọng hơn
nhiệt độ tăng làm điện trở bên trong giảm, khiến cổng không thể mở được.
 Dây điện:

Hình 1. 1: Dây diện bị cháy do nhiệt độ cao
Dây cách điện, khi nhiệt độ tăng: Độ đàn hồi và sức bền giảm.
Sai lệch các giá trị về điện trở, tụ điện, ic, transistor…làm cho các module,
thiết bị điện tử hoạt động không được trơn tru và gây ra các sai số đối với các thiết
bị đo đạc, tín hiệu ra có thể nhiễu.

GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

9


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Ngoài ra khi thiết bị điện tử phải làm việc trong những điều kiện môi trường
có sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ cũng tác động tiêu cực, làm giảm hiệu suất của

thiết bị.
1.1.2. Tác động do độ ẩm
Khi độ ẩm môi trường trong không khí tăng cao, hơi ẩm sẽ ngưng tụ bên trong
các thiết bị điện tử gây ra rò điện, cháy chập do đoản mạch, các chi tiết kim loại làm
việc trong môi trường độ ẩm cao một thời gian dài có thể bị rỉ sét, oxi hóa, khiến
cho khả năng tiếp xúc điện thấp, tín hiệu bị chập chờn, thiết bị hoạt động không ổn
định, chất lượng thiết bị giảm đáng kể.

Hình 1. 2: Cháy chập mạch điện tử

Hình 1. 3: Vi mạch bị hoen rỉ
GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

10


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Hậu quả nghiêm trọng nhất là khi hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao
hoặc nhiệt độ thay đổi bất ngờ kèm theo độ ẩm cao sẽ làm giảm tuổi thọ, hiệu suất
làm việc của thiết bị, gây ra những tổn thất về công sức và tiền bạc. Từ yêu cầu thực
tế, để tạo ra một buồng thử nghiệm có khả năng thay đổi nhiệt độ-độ ẩm để kiểm tra
độ ổn định các thiết bị điện tử trong nhiều môi trường khác nhau, có khả năng đáp
ứng yêu cầu công việc là rất cần thiết.
1.2. Giới thiệu về tủ thử nghiệm nhiệt độ-độ ẩm trên thị trường
1.2.1. Giới thiệu chung
Tủ thử nghiệm nhiệt độ-độ ẩm có khả năng tạo ra đầy đủ các điều kiện về

nhiệt độ và độ ẩm để kiểm nghiệm độ bền, khả năng chịu đựng sự thay đổi khí hậu,
chống đóng băng, chịu nhiệt, chất lượng của sản phẩm được thử nghiệm.
Tủ thử nghiệm nhiệt-độ ẩm có thiết kế hiện đại, sử dụng công nghệ tiên tiến,
có thể điều khiển nhiệt độ, độ ẩm chính xác, ổn định và tin cậy, tốc độ gia nhiệt và
hạ nhiệt nhanh, đồng đều giúp tiết kiệm thời gian của người sử dụng.

Hình 1. 4: Tủ thử nghiệm HD-100T do Haida International sản xuất
1.2.2. Ứng dụng
Tủ thử nghiệm nhiệt độ-độ ẩm có nhiều tính năng tiện ích và thường được sử
dụng trong các mục đích sau:
-

Sản phẩm điện tử, linh kiện điện tử, linh kiện cảm biến.

-

Sản phấm ngành cơ khí, quân sự, hàng không.

GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

11


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

-

Công nghiệp sản xuất xe máy, xe hơi.

-

Công nghiệp hóa chất và hóa dầu.

-

Kiểm tra nguyên vật liệu xây dựng, nhựa, dệt may.

-

Kiểm tra kim loại trong ngành mạ điện kim loại.

-

Thiết bị đo đạc.

Đồ án tốt nghiệp

Hiện nay, các tủ thử nghiệm đều mua của nước ngoài có giá cao nên các thực
nghiệm kiểm tra đánh giá thiết bị được làm chưa chuẩn và thường bị bỏ qua.
1.3.

Thiết kế ý tưởng
Dựa vào những gì đã tìm hiểu, em đã đưa ra phương án xây dựng buồng thử

nghiệm sử dụng cảm biến đo nhiệt độ-độ ẩm và kiểm soát nhiệt độ-độ ẩm bằng
phương pháp đóng ngắt ON/OFF.
 Nguyên lý hoạt động của buồng:
Cảm biến sẽ đo nhiệt độ và độ ẩm được cung cấp thông qua bộ gia nhiệt-gia
ẩm, nếu giá trị đo được vượt qua giá trị đặt, bộ gia nhiệt-gia ẩm ngắt, không cung

cấp nhiệt lượng và hơi ẩm cho buồng và ngược lại nếu giá trị đo nhỏ hơn giá trị đặt,
bộ gia nhiệt và gia ẩm sẽ cấp đủ nhiệt lượng và hơi ẩm để đạt được giá trị đặt.
 Thiết kế của buồng:

-

Kích thước 33cm × 30cm × 21cm.

-

Dải nhiệt độ: 250C-700C, dải độ ẩm: 0-92%.

-

Thiết kế xây dựng mạch điều khiển.

-

Bộ phận gia nhiệt, bộ phận gia ẩm.

GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

12


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

PHẦN II: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Từ yêu cầu của đề tài và dựa trên ý tưởng, mạch điều khiển được thiết kế bao
gồm:
 Thiết kế mạch đóng ngắt bộ gia nhiệt,gia ẩm.
 Thiết kế mạch đo nhiệt độ-độ ẩm buồng thử nghiệm.
 Thiết kề nguồn nuôi mạch điều khiển.
2.1.

Sơ đồ khối
Từ yêu cầu của đề tài và dựa trên ý tưởng, ta có sơ đồ khối sau:

KHỐI GIA
NHIỆT - GIA
ẨM

KHỐI
CẢM
BIẾN

KHỐI VĐK

KHỐI
HIỂN THỊ

KHỐI
ĐÓNG
NGẮT

KHỐI
NGUỒN

NUÔI

Hình 2. 1 Sơ đồ khối của hệ thống

GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

13


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Hình 2. 2: Sơ đồ nguyên lý
 Chức năng làm việc của các thành phần trong sơ đồ khối
-

Khối cảm biến
Chức năng: Thu nhận các tín hiệu nhiệt độ, độ ẩm sau đó biến đổi thành tín

hiệu điện đưa vào khối điều khiển.
-

Khối hiển thị
Chức năng: Nhận tín hiệu từ vi điều khiển, hiển thị giá trị đặt và kết quả đo

được từ buồng thử nghiệm.
-

Khối nguồn
Chức năng: Cung cấp điện áp ổn định cho các bộ phận khác: khối cảm biến,

bộ phận gia nhiệt-gia ẩm, khối điều khiển, khối hiển thị, khối đóng ngắt.
-

Khối điều khiển

GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

14


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Chức năng: Xử lý tín hiệu đưa vào từ bộ cảm biến sau đó qua vi điều khiển để
xử lý và đưa ra kết quả đo được, đồng thời khối này có nhiệm vụ so sánh kết quả đo
được với giá trị đặt cho buồng thử nghiệm để đưa ra tín hiệu điều khiển bộ đóng
ngắt làm việc.
-

Khối đóng ngắt
Nhận tín hiệu từ khối điều khiển, tùy vào yêu cầu từ khối điều khiển mà khối

đóng ngắt cho phép bộ gia nhiệt-gia ẩm tiếp tục hay ngừng cung cấp nhiệt lượng và
hơi ẩm cho buồng thử nghiệm.
-

Khối gia nhiệt-gia ẩm
Có chức năng cung cấp lượng nhiệt và hơi ẩm vào buồng thử nghiệm để ta có

được nhiệt độ, độ ẩm cần thiết dùng cho việc kiểm tra các module và thiết bị điện tử
công suất nhỏ.
2.2.

Các thành phần mạch điều khiển

2.2.1. Khối cảm biến
2.2.1.1.

Khái niệm cảm biến

Cảm biến là thiết bị điện tử nhạy cảm dùng để biến đổi các đại lượng đo
lường, kiểm tra những trạng thái hay quá trình vật lý hay hóa học ở môi trường cần
khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá
trình đó. Cảm biến chịu tác tác động của các đại lượng cần đo không có tính chất
điện ( nhiệt độ, áp suất, khoảng cách, ánh sáng, độ ẩm…) tác động lên cảm biến sẽ
xác định mang tính chất điện (điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng…) chứa đựng
thông tin cho phép để xác định giá trị của đại lượng đo.
Ngõ vào X

Bộ cảm biến

(kích thích)

Ngõ vào Y
(đáp ứng)

Hình 2. 3: Mô hình cảm biến
Hình 1. 5: Mô hình bộ cảm biến

GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

15


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Kích thích X ở ngõ vào là các đại lượng lý, hóa không điện. Đáp ứng Y ở ngõ
ra thường là các đại lượng điện và thường có biên độ khá nhỏ.
Phương trình mô tả quan hệ giữa đáp ứng Y và kích thích X của bộ cảm biến
có dạng: Y=f(X). Quan hệ Y=f(X) của bộ cảm biến thường rất phức tạp và có rất
nhiều yếu tố ảnh hưởng tác động cùng lúc lên bộ cảm biến. Để đơn giản, ta chỉ xét
đáp ứng X ngõ ra theo tác động của kích thích X ở ngõ vào.
Để đáp ứng yêu cầu thu được các thông số về độ ẩm, nhiệt độ từ buồng thử
nghiệm, em chọn cảm biến SHT10 từ dòng cảm biến SHT1x. Đây là loại cảm biển
có thể đo nhiệt độ và độ ẩm chuyên dụng và có độ chính xác cao.
2.2.1.2.

Cảm biến SHT1x

Hình 2. 4: Cảm biến SHT11x
Cảm biến SHT1x là cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm. Đây là dòng cảm biến
(SHT10, SHT11, SHT15, SHT75) chuyên dùng, có độ chính xác cao và độ nhạy

tương đối cao, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng.
SHT1x có đầu ra là tín hiệu số, tích hợp bộ chuyển đổi tương tự sang số và
một mạch giao tiếp với vi điều khiển trên cùng một chip. SHT1x sử dụng phương
thức giao tiếp nối tiếp truyền thông đồng bộ kết hợp với khả năng tự điều chỉnh điện
áp vào cho phép quá trình chuyển đổi nhanh và dễ dàng.
Cảm biến SHT1x đo độ ẩm và nhiệt độ ở 2 chế độ:
GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

16


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

 Chế độ 1: Đo nhiệt độ 12 bit, độ ẩm 8 bit.
 Chế độ 2: Đo nhiệt độ 14 bit, đo độ ẩm 12 bit. Đây là chế độ thường được sử
dụng.

Hình 2. 5: Sơ đồ kết SHT1x với vi điều khiển
a) Chức năng các chân của SHT:
 Chân VCC: Cấp nguồn nuôi cho cảm biến SHT1x.
 Chân GND: Chân nối đất.
 Chân DATA: Là đường truyền dữ liệu nối tiếp, tất cả các thông tin về địa chỉ
hay dữ liệu đều được truyền trên đường này theo thứ tự từng bit một.
 Chân SCKS: Có chức năng tạo xung giữ nhịp cho quá trình truyền nhận giữ
liệu từ SHT1x lên vi điều khiển.
Để tránh xung đột tín hiệu, vi điều khiển truyền dữ liệu ở mức thấp nên điện
trở kéo lên bên ngoài giúp kéo tín hiệu ở mức cao.

b) Giao tiếp với SHT1x với vi điều khiển:
Quá trình truyền dữ liệu từ vi điều khiển đến SHT1x [6]:
 Truyền xung Start:
GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

17


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

-

Chân DATA=1.

-

SCK có xung chuyển từ mức thấp lên mức cao, sau đó chân DATA chuyển
về mức thấp.

-

SCK có xung tiếp theo, vi điều khiển giữ chân DATA ở thấp. Khi đó chân
SHT1x nhận tín hiệu từ vi điều khiển, SHT1x chuẩn bị có dữ liệu được gửi
đến.

-

Chân DATA chuyển về 1. Bắt đầu quá trình gửi lệnh về SHT.

 Gửi giữ liệu đến SHT
-

Gửi 0: Cho chân DATA xuống mức 0, sau đó kích xung SCK từ thấp lên
cao.

-

Gửi 1: Cho chân DATA lên 1, sau đó kích xung SCK từ thấp lên cao.

-

VĐK gửi lệnh 8 bit đến SHT1x: 3 bit đầu là 0, 5 bit sau xác định yêu cầu của
VĐK với SHT1x.
Yêu cầu từ VĐK

Mã nhị phân

Đo nhiệt độ

00011

Đo độ ẩm

00101

Đọc thanh ghi trạng thái

00111

Ghi thanh ghi trạng thái

00110

Reset cảm biến

11110

Bảng 2. 1: Bảng 5 bits xác định yêu cầu của vi điều khiển với SHT1x

 Kiểm tra lỗi:
Sau khi gửi đủ 8 bit lệnh đến SHT1x thì SHT1x kiểm tra lỗi.
-

Cho chân DATA lên 1, sau đó chuyển chế độ là chân INPUT.

-

Kích xung từ thấp lên cao tạo SCK. Đọc lại chân DATA.

Nếu DATA=0: Gửi lệnh thành công.
Nếu DATA=1: Gửi lệnh có lỗi.

GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

18

Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Nếu gửi lệnh thành công, ta chờ một thời gian để SHT1x đo giá trị và gửi lại
dữ liệu cho vi điều khiển. Lúc này chân DATA vẫn là chân INPUT. SHT1x sẽ kéo
chân DATA lên trong một quá trình đo chờ kết quả.

Hình 2. 6: Quá trình truyền dữ liệu từ vi điều khiển về SHT11
Quá trình gửi dữ liệu từ SHT1x đến vi điều khiển [6]:
Quá trình đọc dữ liệu bắt đầu khi chân DATA là mức 0. Khi đó SHT1x thông
báo với vi điều khiển xử lý xong.
Dữ liệu kết quả độ ẩm hay nhiệt độ SHT1x gửi tới vi điều khiển gồm 16 bit.
Cứ sau 8 bit được gửi từ SHT1x, vi điều khiển truyền 1 bit ACK=0 tới SHT1x. Khi
bit được nhận, SHT1x truyền byte tiếp theo.
Ngoài 16 bit dữ liệu, SHT1x còn gửi lại 1 byte CheckSum. Ta có thể sử dụng
hoặc không. Sau khi nhận vi điều khiển nhận 8 bit LSB (các bit thấp) thì cho tín
hiệu ACK=1. Khi đó SHT1x sẽ chuyển sang chế độ sleep và chuẩn bị đọc các bit
MSB (các bit cao).
Đọc các bit MSB:
Chân DATA vi điều khiển là Input, kích xung SCK từ thấp lên cao, sau đó đọc
dữ liệu từ chân DATA.
-

Bit 0: DATA=0;

GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

19


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

-

Đồ án tốt nghiệp

Bit 1: DATA=1;
Khi đọc được 8 bit: chuyển chân DATA của vi điều khiển thành chân Output.

Vi điều khiển kéo chân DATA=0, có xung kích SCK từ thấp lên cao. Byte
CheckSum có thể đọc hoặc không. Nếu không đọc thì chú ý bit ACK =1. Để SHT1x
chuyển vào trạng thái sleep. Chuẩn bị quá trình làm việc tiếp theo.
Khung truyền dữ liệu SHT1x đến vi điều khiển:

Hình 2. 7: Sơ đồ mô tả cách truyền dữ liệu từ SHT đến vi điều khiển
2.2.2. Tổng quan về các chức năng của Atmega8 trong mạch điều khiển
2.2.2.1.

Tổng quan về Atmega8

Atmega8 kết hợp với một CPU 8-bit RICS với bộ nhớ Flash tự lập trình trong
hệ thống trên một chip, Atmega8 là một vi điểu khiển rất tối ưu của AVR, thỏa mãn
các yêu cầu về một bộ vi điều khiển với độ linh hoạt cao và đem lại lợi nhuận lớn
với rất nhiều ứng dụng điều khiển tác động nhanh. Atmega8 được hỗ trợ đầy đủ các
trình biên dịch, chương trình nạp, mạch nạp chương trình mô phỏng. Do đó em đã
lựa chọn Atmega8 để làm trung tâm xử lý tín hiệu đo được từ SHT10, thiết lập giá
trị đặt nhiệt độ-độ ẩm và hiển thị lên LCD.

GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

20


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Hình 2. 8: Sơ đồ chân Atmega8-16PU
 Chức năng các chân của Atmega8
Atmega8 có tổng cộng 28 chân và 3 port: Port B, Port C, Port D.
Port B gồm 8 chân từ PB0 đến PB7: Cổng vào/ra hai hướng 8 bit, có điện trở
nối lên nguồn dương bên trong. Port B cung cấp các chức năng ứng với các tính
năng đặc biệt của Atmega8 như giao tiếp SPI, nối nguồn xung clock, bộ đếm TimerCouter…
Port C gồm các chân từ PC0-PC6: Cổng vào/ra 8 bit, có điện trở nối lên nguồn
dương bên trong. Đây là cổng có chức năng chuyển đổi tương tự sang số, giao tiếp
TWI/I2C…
Port D gồm các chân từ PD0 đến PD7: Cổng vào/ra hai hướng 8 bit, có điện
trở nối lên nguồn dương bên trong, Port D cung cấp các tính năng đặc biệt của
Atmega32, như giao tiếp UART, ngắt ngoài,…
Chân nguồn VCC: Điện áp nguồn nuôi của Atmega8.
GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

21

Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Chân GND: Chân nối đất
Chân AVCC: Cung cấp nguồn cho Port C và bộ chuyển đổi ADC hoạt động.
Ngay khi không sử dụng bộ chuyển đổi ADC thì chân AVCC vẫn phải được kết nối
tới nguồn VCC.
AREF: Đây là chân điều chỉnh điện áp tham chiếu cho chuyển đổi tương tự
sang số.
Em sử dụng Atmega8 với các chức năng chính sau:

-

Điều khiển vào ra (I/O).

-

Chuyển từ tương tự sang số (ADC).

-

Giao tiếp với SHT10.

2.2.2.2.

Điều khiển vào ra (I/O)

Atmega8 có 3 port là port B, port C, port D và các port này được điều khiển
thông qua 3 thanh ghi 8 bit: PORTx, DDRx, PINx. Mỗi bit của mỗi thanh ghi tương

ứng với một chân của PORT.

 DDRx: Thanh ghị định hướng cho các chân của vi điều khiển.
-

DDRx=0: Cấu hình chân INPUT.

-

DDRx=1: Cấu hình chân là OUTPUT.

 PORTx: Thanh ghi cho biết mức điện áp được xuất ra ở chân OUTPUT.
-

PORTx=0: Điện áp xuất ra 0V.

-

PORTx=1: Điện áp xuất ra 5V.

 PINx: Thanh đọc trạng thái chân INPUT.
2.2.2.3.

Chuyển đổi tương tự sang số (ADC)

ADC là chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số. Trên Atmega8 được tích hợp 6
kênh ADC với độ phân giải 10 bit. ADC được ứng dụng rất nhiều như đo nhiệt độ,
đọc giá trị điện áp, tính dòng điện, đọc phím nhấn theo thang điện trở, biến đổi tín
hiệu âm thanh sang kỹ thuật số để lưu trữ,...

GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

22


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Trong đề tài này, ADC của Atmega8 được sử dụng để chuyển tín hiệu điện
thông qua triết áp, đặt nhiệt độ-độ ẩm điều khiển cho buồng gia nhiệt-gia ẩm thông
qua triết áp.
a) Thiết kế nguồn cho bộ ADC
Điện áp tham chiếu cho ADC trên Atmega8 có thể được tạo bởi 3 nguồn:
Dùng điện áp tham chiếu nội 2.56V, dùng điện áp AVCC hoặc điện áp ngoài đặt
trên chân VREF.
Khi đặt điện áp tham chiếu, nếu dùng điện áp ngoài đặt trên chân VREF thì
điện áp này phải được lọc nhiễu tốt, nếu dùng điện áp tham chiếu nội 2.56V hoặc
AVCC thì chân VREF cần được nối với tụ điện. Trong đề tài này, em chọn AVCC
làm điện áp tham chiếu. Dưới đây là thiết kế nguồn điện áp tham chiếu cho ADC.

Hình 2. 9: Thiết kế nguồn cho ADC
Chân AVCC là chân cấp nguồn cho bộ ADC của Atmega8, không chung với
VCC của chip.
Chân AREF là chân chọn điện áp tham chiếu ngoài của bộ ADC (AREF
Max=5V) nó sẽ so sánh điện áp tham chiếu để cho ra các mức logic tương ứng kiểu
tỷ lệ phần trăm. VD: AREF=5V, ADC input =2.5V tức bằng 50% AREF thì giá trị
ADC là 1024/2=512.

GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

23


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp

Các tụ lọc C16 và C15 được đưa vào để giảm nhiễu nhằm giảm sai số quá
trình chuyển đổi.
 Công thức tính giá trị điện áp chuyển đổi:
Vì ADC của Atmega8 có độ phân giải là 10 bit nên ta có:
ADC 10bit: Vin = (VREF*ADC)/1024
Trong đó:
VREF là điện áp tham chiếu.
ADC là giá trị sau chuyển đổi.
b) Các thanh ghi
 ADMUX (ADC Multiplexer Selection Register):
Là thanh ghi 8 bit điều khiển việc chọn điện áp tham chiếu, kênh và chế độ
hoạt động của ADC. Chức năng của từng bit trên thanh ghi này sẽ được trình bày cụ
thể như sau:
7

6

5

4

3

2

1

0

REFS1

REFS0

ADLAR

MUX4

MUX3

MUX2

MUX1

MUX0

R/W

R/W

R/W

R/W

R/W

R/W

R/W

R/W

-

ADMUX

REFS1 và REFS0: 2 bit chọn điện áp tham chiếu để so sánh.

REFS1

REFS0

Giá trị điện áp

0

0

Bằng AREF đưa vào, mã HEX 0x00

0

1

Bằng AVCC đưa vào, mã HEX 0x40

1

0

Không sử dụng

1

1

2.56V onchip, mã HEX 0xC0
Bảng 2. 2: Bảng lựa chọn điện áp tham chiếu

GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

24


Đại Học Bách Khoa Hà Nội

-

Đồ án tốt nghiệp

ADLAR: Bit sắp xếp 2 thanh ghi ADCH và ADCL, do bộ chuyển đổi ADC
là 10 bit nên ta phải có 2 thanh ghi 8 bit để lưu giá trị chuyển đổi.

ADLAR=0:
-

-

-

-

-

-

ADC9

ADC8

ADC7

ADC6

ADC5

ADC4

ADC3

ADC2

ADC1

ADC0

ADLAR=1:
ADC9

ADC8

ADC7

ADC6

ADC5

ADC4

ADC3

ADC2

ADC1

-

-

-

-

-

-

MUX4:0: 4 bit chọn kênh ADC có giá trị thập phân từ 0-7 tương ứng với
kênh ADC0-ADC7.

Bảng chọn kênh ADC tra bảng phụ lục 5.5.
 ADCSRA: Là thanh ghi điều khiển bộ ADC:
7

6

5

4

3

2

1

0

ADEN

ADSC

ADFR

ADIF

ADIE

ADPS2

ADPS1

ADPS0

-

ADEN: Bit cho phép bộ ADC hoạt động.

-

ADSC: Bit cho phép bộ ADC chuyển đổi, khi quá trình chuyển đổi hoàn tất
bit này sẽ tự động được xóa về 0, muốn bộ ADC chuyển đổi tiếp ta bắt buộc
phải set lại bit này.

-

ADFR: Bit cho chế độ liên tục chuyển đổi, nếu set bit này thì bộ ADC sẽ liên
tục chuyển đổi.

-

ADIE: Bit cho phép ngắt bộ ADC. Khi chuyển đổi hoàn tất sẽ có một ngắt
xảy ra nếu cho phép ngắt ADC.

GVHD: PGS-TS. Phạm Đình Khang
SVTH: Đặng Quốc Vủ

25